Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Технически чистое железо, имеющее структуру феррита, не представляет особого интереса как конструкционный материал, т. к. обладает низкой прочностью и высокой пластичностью (σ_в=250 МПа, δ=50 %); гораздо большее практическое значение имеют сплавы на основе железа и углерода.

На диаграмме состояния железо – цементит можно выделить две области, которые соответствуют самым распространенным промышленным сплавам – стали и чугуну.

Сталью называются сплавы на основе железа и углерода, содержащие теоретически до 2,14 % С, а реально до 1,4 % С. Стали по структуре подразделяют на доэвтектоидные (содержащие до 0,81 % С), эвтектоидные – перлитные (0,81 % С) и заэвтектоидные (свыше 0,81 % С).

Чугуном называют сплавы на основе железа и углерода, содержащие от 2,14 и теоретически до 6,67 % С, а реально до 4 % С. Чугуны, в свою очередь, по структуре подразделяют на доэвтектические (2,14…4,3 % С), эвтектические – ледебуритные (4,3 % С) и заэвтектические (свыше 4,3 % С).

Углерод является важнейшей составной частью сталей и чугунов; чем больше углерода, тем выше прочность и твердость, и ниже пластичность и вязкость – рис. 29.

 

Рис. 29. Влияние содержания углерода на механические свойства стали

 

Сталь и чугун являются многокомпонентными сплавами, содержащими ряд постоянных и технологических примесей: марганец, кремний, никель, сера, фосфор, азот, кислород, водород и др.

Сера и фосфор поступают из руды – это очень вредные примеси, и их содержание строго регламентируется в зависимости от качества стали. Сера приводит к красноломкости стали – растрескиванию при ковочных температурах. Фосфор вызывает хладноломкость – резкое снижение прочности (повышение хрупкости) при низких температурах[36].

Азот, кислород и водород охрупчивают сталь и поэтому с ними также борются.

Марганец и кремний – полезные примеси; они поступают в сталь а результате ее раскисления (удаления кислорода на финише плавки); никель и др. металлы приходят, как правило, из переплавляемого металлолома. Содержание Si обычно находится на уровне 0,4 %, а Mn – 0,8 %; они повышают предел текучести, а марганец, соединяясь с серой, уменьшает красноломкость.

Никель, как правило, является полезной примесью, поступающей из металлолома; повышает прочность, пластичность и вязкость железо-углеродистых сплавов.